DD207613A3 - Verfahren und anordnung zum automatischen auftragsschweissen - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum automatischen Auftragsschweissen, welches unabhaengig vom oertlichen Verschleissgrad eines Werkstueckes einen Materialauftrag bis zu einer vorgewaehlten Schichtdicke gestattet. Erfindungsgemaess wird der Schweissbrenner parallel zur geforderten Werkstueckoberflaeche gefuehrt und die Vorschubgeschwindigkeit des Schweissbrenners durch ein Signal gesteuert, das der Differenz der Sollhoehe der Auftragsschweissung zum erreichten momentanen Wert entspricht. Das Signal selbst wird aus dem Lichtbogen gewonnen. Die Einstellwerte fuer den Schweisstrom und die Schweisspannung werden waehrend des Schweissens einer Lage nach ihrer Einstellung auf Konstanz nachgeregelt und der momentane Arbeitspunkt durch gleichzeitige Strom-/Spannungsmessung erfasst. Die Abweichungen von der vorgegebenen Arbeitsgeraden werden durch Quotienten- oder Differenzbildung ausgewertet, wonach eine Absolutwertkorrektur erfolgt. Das zur Verfuegung stehende vorzeichenbehaftete analoge Nutzsignal wird zur Steuerung der Vorschubgeschwindigkeit des Schweissbrenners in Schweissrichtung verwendet. Parameterschwankungen, von der Geraetetechnik verursacht, werden im Prozess durch Aenderung des Abstandes ausgeglichen.

Description

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Verfahren und Anordnung suni automatischen Auftraffsscliwe IB en

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Verfahren sum automatischen Auftragsschweißen, welches unabhängig vom-örtlichen Verschleißgrad eines Werkstückes einen Materialauftrag bis -zu einer vorgewählten Schichtdicke gestattet sowie eine Anordnung zur Ausübung des Verfahrens. ·

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Charakteristik der bekannten technischen Lösungen

Bekannt ist· ein automatisiertes Auftragsschweißen, bei den nach einem festen Frogramm Material auf das verschlissene Werkstück aufgetragen wird. Die Schweißparameter, und die Bewegungen, des Schweißkopfes sind dabei fest vorgegeben. Diese Lösung, hat den !lachteil, daß Bauteiltoleranzen, die bei verschlissenen Werkstücken selbstverständlich sind, nicht erfaßt v/erden. Zur Gewährleistung einer vorgegebenen Werkstüclcdimension muß damit mehr Material aufgetragen werden, als unbedingt notwendig ist. Dieser Vorgang ist zweifach unökonomisch, sum einen werden übermäßige Energie und>Zusatzwerk-' stoffe beim Auftragsschweißen verbraucht und zum anderen ver- , größert sich der IiacharbeitsauiW>and. Aus· dem Gebiet der Robot ertechnik sind Verfahren und Vorrichtungen bekannt, die vor dem Schweißprozeß die Werkstückgeometrie mit einem Suchpro— gramm abtasten, (TEAGH IN) um danach die Brennerbewegungen zu berechnen (DE-GS 28 47 l69)· Wegen der großen Verschleißunterschiede der* einseinen Bauteile ist bei jedem Teil ein TEAGH IrI notwendig.. Damit ist der Prozeß insgesamt sehr langsam. Trotz des beträchtlichen Technikeinsatzes, der hierfür notwendig .ist, können keine optimalen Parameter bei Kehr- und Viellägenschweißungen berechnet werden. Sine Meßwerterfassur.g während des Schweißprozesses erlaubt die Sensortechnik. Zur Erfassung der Werkstückgeometrie sind eine Vielzahl von Sensoren bekannt, die taktil, induktiv, akustisch oder optisch die Oberfläche, abtasten. Auf Grund der extremen thermischen Belastungen, insbesondere bei Mehrlagenauftragsschweißungen sind diejenigen Sensorsysterne ungeeignet, die .die 'Werkstück-.-oberfläche berühren oder in einem kleinen Abstand abtasten. Das ist bei'taktilen, akustischen und induktiven"Senscran der Fall*. Optische Sensoren zur Erkennung der 'Geometrie der Bauteile sind durch einen eroßen Steuerungsaufwand gelcennzeich-

net. Bekannt sind einfache optische Empfangersysteme, die die Lage des Lichtbogens bezüglich des Werkstückes erkennen (33-OS 20 30 182). Diese Empfänger v/erden dem Schweißbrenner vorangeführt und sind auf den .Lichtbogen gerichtet. Sine Änderung der Bewegungsrichtung erfordert eine Schwenkbewegung urn die Schweißerennerhauptachse. Dies setzt eine aufwendige Mechanik am Schweißbrenner voraus. -

Clone zusätzliche mechanische Baugruppen am Schweißbrenner arbeiten Sensoren, die die elektrischen Größen des Schweißprozesses für Ab^standssteuerungen ausnutzen. Bekannt sind Lösungen für die Brennerhöhensteuarung, die den Schweißstrom überwachen (DE-CS 2 754-661). Damit sind diese Steuerungen 'zugeschnitten auf bestimmte Schweiß verfahr en. Die Prozeßregelung erfolgt bei beiden Varianten derart, daß ein fest vorgegebener Arbeitspunkt angestrebt wird·' Dies läßt sich nur realisieren_? wenn die Schweißprosesse eine relative Stabilität besitzen, z. 3. beim WIO-oder Mischgasschweißen, und die Gerätetechnik eine konstante Drahtvorschubgeschwindigkeit und stabile Schweißspannung/Stromstärke garantieren. Bei COo" oder UP-Auftrassschweißunfren können diese Forderungen nicht erfüllt werden.- '

Durch die D3-AS 2 703 113 ist ein Verfahren bekannt, bei welchem, durch Messung der Schweißspannung die Nahthöhe erfaßt wird, damit der Schweißstrom oder die.·Schweißgeschwindigkeit derart gesteuert werden, daß ein Durchbrennen der Naht ver- > mieden wird. · .

Bekannt sind darüberhinaus Lösungen, bei welchen die Schweißparameter Schweißspannung und Schweißstrom genessen und zur" Regelung des Schweißprozesses herangesogen werden. Diese Lösungen gewährleisten konstante Schweißbedingungen durch Kompensation von Metsspannungsschwankungeii und thermisch bedingte ünstabilitäten.

Ziel der -Srfinduns:

Ss ist Ziel der Erfindung, das Auftragsschweißen auf verschlissene Bauteile mit automatischen Schweißeinrichtungen derart zu ermöglichen, daß unabhängig vom angewendeten Lichtbogenschweiß verfahren, unabhängig vom jeweiligen Verschleißgrad und unabhängig von.der erforderlichen Lagenzahl mit einfachen technischen Mitteln eine optimale /Haterialauftragung erfolgt. . ' . .

Das Wesen der Erfindung

Ss ist Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren und eine zur Ausübung des .Verfahrens geeignete Anordnung zu entwickeln, die die momentanen Schweißparameter während des Auftragsschweißens derart in Abhängigkeit des .partiellen Verschleißzustandes des Werkstückes einstellt, daß eine Schweißgutoberfläche gebildet, wird, welche frei von Überhöhungen ist, während alle verschlissenen Bereiche homogen aufgefüllt sind.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe gelöst, indem der Schweißbrenner parallel zur geforderten Werkstückoberfläche geführt und die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißbrenners durch ein Signal gesteuert wird, das der Differns der .Sollhöhe der Auftragsschweißung und dem erreichten momentanen Wert entspricht. Das Signal wird aus dem Lichtbogen gewonnen, wobei die 'Sinäsllwerte für Schweißstron und Schweißspannung während des Schweißens einer Lage, nach ihrer einstellung auf Konstanz, nacligeregelt werden und der momentane Arbeitspunkt 'durch gleichseitige Strcrn/Spannungsmessung' erfaßt wird. Die gegensinnigen Veränderungen von Schweißstrom und Schweiß-

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spannung 'und damit die Abweichung von der vorgegebenen Arbeitsgeraden v/erden dabei durch Quotienten- oder Differenzbildung ausgewertet; wonach eine Absolutwertkorrektur erfolgt. Damit steht ein vorseichenbehaftetes analoges Nutzsignal zur Verfügung, das als Maß der erreichten Auftragshöhe entspricht und zur Steuerung der Vorschubges.chwindigkeit des Schweißbrenners in Schweißrichtung verwendet wird. · .

Die getrennte elektronische Aufbereitung der Eingangssignale, verbunden mit fest vorgegebenen Korrekturen, sichert die . Prozeßregelung auf natürlichen linearen Kennlinien der Struktur: '

U₃ - U₀ + A . I

Damit paßt sich das System den allgemeinen Schweißbedingungen an. Parameterschwankungen, von der Gerätetechnik verursacht, werden im Prozeß durch Änderung des Abstandes ausgeglichen. Die Erfassung der Lage des Arbeitspunktes im Vergleich zur Sollgeraden erlaubt die Auswertung sehr kleiner Abstandsänderungen auch bei relativ instabilen Schweißprozessen. Dies so gebildete Steuersignal besitzt einen stcchastischen Charakterais Folge vom stochastischen Prozeß des Brennens des Lichtbogens und der Bewegungen der Schmelzbadoberfläche. Ss dient direkt zur Ansteuerung einer elektronischen Verstelleinrichtung. Der Bewegungsmechanismus führt damit ebenfalls stochastische Korrekturbewegungen in Schweißrich1:ung aus. Die resultierende Bewegung dieser Korrekturen bildet die mittlere Schweißgeschwindigkeiti Dadurch wird gewährleistet, daß nur so viel Material aufgetragen wird, bis die Sollhöhe erreicht ist. Beim Unterschreiten der geforderten Badhöhe fährt der Schweißbrenner entsprechend einen kleinen Betrag zurück, um dann nach der notwendigen Auffüllzeit so weit in Haupt schweiß-¹· richtung voranzufahren,' bis die nächste Unterschreitung registriert wird. " -

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Das System zur Brennerbewegung besitzt i7egm-e£einrichtur.gen. ' Bei-Erreichen einer vorgegebenen Position/Koordinate Viird eine Schaltfunktion ausgelöst, die den Schweißbrenner'um einen festen Betrag senkrecht zur Schweißrichtung in horizontale/ vertikale Richtung'verschiebt und die Sensorausgangssignale umpolt. . . '

Zur Ausübung des Verfahrens wird erfindungsgemäß eine Anordnung vorgeschlagen, die durch folgende technische Mittel gekennzeichnet ist :

Über einen im Schweißstromkreis angeordneten Meßshunt sind zwei Integratoren angeordnet, welche eine- unterschiedliche Integrationszeit besitzen. Dem mit einer kleinen Integrationszeit wirkenden Integrator ist ein Komparator, nachgeschaltet, der auf einen, im Spannungsmeßzweig einem HF-Filter mit naciigeschaltetiem Integrator und Differenzbildner folgenden Schalter wirkt, dessen Ausgang mit einem Spannungsteiler verbunden ist, wobei der Spannungsteiler an einem Eingang eines folgenden Summationsverstärkers oder Quotientenbildners anliegt, während der zweite Eingang dieses Schaltgliedes durch den Ausgang eines dem Integrator mit der größeren Integrationszeit nachgeschalteten Verstärkers belegt ist. Der Ausgang des Summationsverstärkers oder Quotientenbildners ist über ein Richtungsumschaltglied mit einer Lageregelung verbunden, der der Antriebsmotor für die Brennervorschubbewegung nachge-; schaltet- ist..Sin auf die Positioniersteuerung des automatischen Auf tragsschweißgerätes wirkendes und von der Ri clvtungsuinschaltung und einen Wegmeßsystem angesteuertes v'/egmeßsystem dient der .automatischen Unterbrechung und lagerichtigen-Umkehr des Brennervorschubas. . UuX¹CiX diese Anordnung tritt folgende Funktion der Auftragsschweißverrichtung ein: ''· .. .- '· .

Das Werkstück bildet die elektrische Kasse des SchweißStromkreises. Zwischen dem Kinuspol der Stromquelle und dem ".'Jerkstück ist ein Meßsiiunt angeordnet. Hier wird das Meßsignal für den fließenden Schweißstrom abgegriffen. An der Stronkontaktdüse wird die momentane Schweißspannung gemessen.: Das Spannungssignal wird zum Schutz der Elektronik gefiltert, mit einer der mittleren Stabilität des Schweißprozesses angepaßten Integrationszeit, gemittelt und um einen festen Spannungsbetrag U reduziert. Das Fließen des Schweißstromes wird durch einen Komparator überwacht. Zur Gewährleistung einer, eindeutigen Funktionsweise des Komparators ist es notwendig, das Stromsignal mit einer relativ kleinen Integrationszeit zu glätten. Der Komparatorausgang s ciaalt et das Spannungssignal über einen Spannungsteiler auf einen Eingang des Summationsverstärkers bzw. Quotientenbildners. Am. zweiten Eingang liegt das integrierte und verstärkte Stromsignal an. Aus diesen beiden Eingangsgrößen wird· die Verschiebung des Arbeitspunktes erfaßt und die Abweichung des Istwertes von der Sollgeraden ausgegeben. Der Ausgang ist über eine Umpoleinrichtung mit einer Lageregelung verbunden, die entsprechend dem Vorzeichen und der Absolutgröße des Ausgangssignals den Verstellmotor für die Brennerbewegung in Schweißrichtung· ansteuert. Die von den mechanischen Baugruppen ausgeführten Bewegungen werden gemessen. Bei Erreichen der vorgegebenen Endposition wird ein Signal ausgelöst, welches der Positioniersteuerung zugeführt wird zur Verschiebung des Brenners in vertikaler oder horizontaler Sichtung um, einen fest vorgegebenen .Betrag und das Ausgangssignal des Abstandssensors umpolt. Die Schweißparameter, Schweißspannung und Drähtvorschubgeschwindigkeit werden fest vorgegeben und während der Schweißung einer Lage nicht verändert. .

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AusführungsbeisDiel

Die Erfindung soll nachstehend an einem Äusführungsbeispiel näher erläutert werden. Die dazugehörende Zeichnung aeigt ein Blockschaltbild der Anordnung zur Ausübung des Verfahrens zum automatischen Auftragsschweifien. .

Im Schweißstromkreis wird zwischen dem Minuspol der Strom-, quelle 19 und dem Werkstück 18 der Meßshunt 21 angeordnet, welcher ein dem. Schweiß strom I proportionales Spannungssignal -i , das¹ zwischen 0 und+ 60 mV beträgt, abgibt. Das Werkstück

S

bzw. der werkstückseitige Abgriff des Meßshunts 21 bildet die zentrale Masse des elektronischen Steuerungssystems. Das negative Me&signal -i_ wird mit Hilfe zweier "Integratoren 1,2' gemittelt. Diese, wie auch die anderen SignalVerarbeitungen im Komparator 3, Verstärker 10, .Differenzbildner 6 usw. werden mit Hilfe der Analogtechnik, d. h. mit Hilfe bekannter Standardschaltungen der Elektronik mit Operationsverstärkern realisiert.

Der, Integrator 1 überwacht in Verbindung ,mit dem Komparator 3 das Fließen des Schweißstromes I . Zur Vermeidung von Fehlschaltungen wird eine Integrationszeit von 25 ms eingestellt. Das Ausgangssignal des Komparators 3 betätigt gin Heiais 1, ' welches die bereits vor dem Schweißprozeß anliegende Spannung den weiterverarbeitenden Baugruppen zuschaltet. Der Integrator 2 ermittelt einen Schweißstromneßwert mit einer Zeitkonstante von 250 ms. Dieses mittlere SchweißStromsignal -i .wird' im Vorverstärker 10 verstärkt. Die Schweißspannung +U wird zwischen der Stromkontaktdüse 20 und dem Werkstück 18 bzw. dem I-Iassepunkt des Heßshunts 21 gemessen. Die Signalaufbereitung der Schweißspannung +U erfolgt mit Hilfe eines Hochfrequenz-Filters U, eines Integrators 5 mit einer Zeitkenstante von 250¹ ms und einem Differenzbildner 6. Durch den Einsatz einer Z-Diodenschaltung wird vom gebildeten Spannungsmittelwert ¹J_n ·

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die Z-Spannung U subtrahiert. Für das COp-Schwei.fiverfahr.e.n wird diese Spannung U_Q = 14 V gewählt. Der nachgeschaltete Spannungsteiler 8 erzeugt einen dynamischen Sollwert entsprechend der linearisierten Prozeßgleichung für das C0_?- Schweißen

U FvJ* 14 V +0,05 ·

wobei außer der Neigung der Kennlinie, die durch die Widerstandskonstante A - 0,05 bestimmt ist, der Widerstand des Meßshunts 21 und die Verstärkung des Vorverstärkers 10 zu berücksichtigen sind. Diese Sollwertbeziehung wird vorgegeben oder durch Versuchsschweißung bestimmt. Für diese zweite Variante benutzt man vorteilhaft ein Potentiometer als Spannungsteiler 8. Der dynamische Sollwert wird mit dem verstärkten mittleren Schweißstrom I verglichen, d. h. einem elektrischen Summierer 9 zugeführt und die Differenz verstärkt: ,

- 14

η . 0,05

Dieses Steuersignal S besitzt die Struktur einer vorzeichenbehafteten Gleichspannung mit einem sctweißprozeßabhängigen stοchastisehen Anteil kleiner Frequenz. Dieses Steuersignal 5 xvird direkt der Lageregelung 11 zugeführt, die als 4-Quadrantensteller arbeitet. Der Antriebsmotor 12 führt damit Bewegungen aus, die bezüglich·Drehgeschwindigkeit und Drehrichtung dem Steuersignal S äquivalent sind. Die daraus resultierenden Brennerbewegungen werden von einem. Wegmeßsystem 13, gegebenenfalls von- einem Sndschaltersystem, aufgezeichnet. Die Signale dieses Wegmeßsystems 13 beim Erreichen einer Werkstückkante veranlassen die 'Positioniersteuerung 14, vor- · programmierte Wege-senkrecht zur Schweißrichtung auszuführen, d. h. den Brenner seitlich oder In der Höhe zu versetzen.'

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Gleichseitig wird der Richtungsumschalter 22 aufgerufen. Damit erfolgt ein Umpolen des' Steuersignal es S an der Lage- - : regelung Il. Un eine Rückschaltung' zu verhindern, beispielsweise auf Grund der Stochastik des Steuersignales S, ist die Umpolung für ein'e bestimmte Zeit, welche von ύer Schweißnahtlänge abhängt, zu 'fixieren. Dies gelingt durch die Anordnung einer bekannten Zeitschaltung im Richtungsumschalter 22.

Die Schweißparameter U_ und I einer Schweißnaht werden kon-

s s

stant vorgegeben. Dazu werden bekannte Schweißspannungs-Programmierungen Io zur Ansteuerung der Stromquelle 19 bzw. Drahtvorschubprogrammierungen 15 zur Ansteuerung des'Antriebs« motors 17 für den Drahtvorschub eingesetzt.

Claims (2)

-"- 240 7 39 4 Erfindungsansp r'.u c, h "

1. Verfahren zum automatischen Auftragsschweißen durch Auswertung von Sensorsignalen, die aus den elektrischen Werten des brennenden Lichtbogens gewonnen werden, gekennzeichnet dadurch, daß der Schweißbrenner in einem konstanten vor- . gewählten Abstand, zur zu bildenden Werkstückoberfläche geführt wird und die Sinstellwerte für Schweiß strom (!„)' und Schweißspannung (U ) während des Schweißens einer Lage nach ihrer Einstellung auf Konstanz nachgeregelt werden, wobei der momentane Arbeitspunkt durch gleichzeitige Strom/ Spannungsmessung und die Abweichung zur vorgegebenen Arbeitsgeraden durch Quotienten- oder Differenzbildung und nachfolgender Absolutwertkorrektur erfaßt und ein vor- ·. zeichenbehaftetes analoges Nutzsignal als Maß der erreichten Auftragshöhe gewonnen wird, welches die Vorschubgeschwindigkeit des Schweißbrenners in Schweißrichtung steuert, während durch Wegmessung eine vorprogrammierte Brenner höhensteuerung und ein Umpolen des Sensor-signales erfolgt.

2. Anordnung zur Ausübung des Verfahrens zum automatischen Auftragsschweißen durch Auswertung von SensorSignalen, die aus den elektrischen Werten des brennenden Lichtbogens gewonnen sind* ^mit einem im SchweißStromkreis angeordneten , Meßshunt nach Punkt 1, gekennzeichnet dadurch, daß der Abgriff des Meßshunts (21) auf zwei Integratoren (1;2) mit unterschiedlicher Integrationszeit geführt und dem mit der kleineren Integrationszeit arbeitenden Integrator.(1) ein' Komparator (3)· nachgeschaltet ist,'welcher" auf einen Schalter wirkt, der das aus dem Spannungsmeßzweig gewonnene Signal über ein HF-Filter (4) mit nachgeordnetem Integrator (5) und einen Differenzbildner (6) auf einen Spannungsteiler (8) und einem Eingang eines Summationsverstärkers oder Quotientenbildners (9) führt, dessen ·

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zweiter Eingang mit dem Integrator (2) rait der größeren Integrationszeit verbunden ist, wobei der Ausgang des Summationsverstärkers oder Quotientenbildners (9) über einen Richtungsumschalter (22) auf die Lageregelung (11) des- Vorschubantriebes (12) wirkt und ein mit der Richtungsumschaltung (10) und dem Vorschubantrieb (12) gekoppeltes, auf die Positioniersteuerung'(14) geschaltetes Wegmeßsystem (13) vorgesehen ist. - ' '

-Hierzu ein Blatt Zeichnungen -

OK CFR «3 3*117 1571